气候变化和人类活动对流域水环境的影响研究进展

吕振豫，穆建新，刘姗姗

(1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

工业时代至今，以温度升高为主要特征的全球性气候变化已成为不争的事实。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第5次评估报告指出，自19世纪后期以来，全球平均表面温度(GMST)已经升高，在存在多套独立制作资料集的1880-2012年，全球平均温度升高了0.85 ℃；特别是北半球，1983-2012年很可能是过去800 a来最暖的30 a[1]。除了以变暖为主要特征的显著变化外，降水量级和时空分布的变化、热辐射强迫加剧、极值事件频发、冰川融化以及海平面上升等一系列事件都是气候变化的表征。

全球气候变化大背景下，结合人类活动的影响，诱发产生的大范围水资源危机及水环境污染问题已成为当今世界各国急需解决的难题。目前，全球气候变化主要表现在降水、气温、辐射和风速等气象因子的变化上，这些气象因子的改变直接或间接地对水环境产生影响。人类活动加剧了气候变化对水环境的影响大小，通过改变流域下垫面情况、改变物质能量的流动、影响流域产流机制，使得水环境进一步恶化。两者独立及综合影响下，水环境物理、化学和生物特性发生改变。

在前人研究成果的基础上，本文从水环境对气候变化及人类活动的响应机制，现阶段研究气候变化和人类活动对水环境影响的模型方法，以及目前研究的不足和未来发展方向等几个方面就气候变化和人类活动对水环境影响的研究展开讨论，旨在回答以下几个问题：①气候变化和人类活动以怎样的途径对水环境构成威胁？②目前关于气候变化和人类活动对水环境影响方面的研究存在哪些不足？③针对目前研究成果的现状，未来有哪些改进措施及发展方向。

1 气候变化大背景下水文要素的变化情况

水环境的变化与流域水文过程的改变息息相关，而水文过程的改变主要表现在水文及水循环要素的变化上。气候变化通过气温、降水等因素的改变影响陆地水文循环系统，驱动了径流量等水文要素的变化，改变区域的水量平衡，严重影响流域水资源量及其时空分布。

进入21世纪以来，伴随着社会经济的不断发展，全球性气候波动更加剧烈，温室气体(主要是CO2)排放导致气温上升、降水量级及时空分布不均、极端性强降水事件频繁发生、旱涝交替灾害性事件发生概率大幅度增加。IPCC先后于1991、1996和2001年对全球气候变化状况进行的评估显示，全球表面平均温度在20世纪已升高0.6 ℃，第5次评估报告将这一数据更新为0.8 ℃。中国在1951-1990年的40 a里，平均最低气温每10 a增加0.2 ℃，尤其是冬季，平均最低温度每10 a增加约0.4 ℃。温度上升造成的直接后果是流域潜在蒸发量增大，同时导致流域水文过程从一个综合的降雨/降雪体系转变为降雨占主导的体系结构，影响流域水资源量时空分布，冬季洪水风险剧增、夏季干旱频发。韩兰英等[2]对中国西南地区干旱灾害成因的研究表明，温度升高导致的区域水资源量减少是形成干旱灾害的主要因素。降水变化通过改变区域的水量输入，影响流域产汇流大小，继而改变流域水资源量，但上述变化存在一定的地域性，受区域自身气候条件限制。IPCC第4次评估报告指出，受区域降水量时空分布变化特征影响，根据高信度的预估，较高纬度地区和一些潮湿的热带地区，包括人口密集的东亚和东南亚地区，到21世纪中叶，径流量将增加10%～40%；而中纬度和干燥的热带地区，由于降水减少、蒸腾率上升，径流将减少10%～30%。Yun和Wang等[3]采用模型模拟的方法量化了黄河流域降水与径流的关系，发现流域降水减少10%的情况下，径流将减少15%～25%。Voudouris等[4]在墨萨拉流域的研究表明，该流域不超过20%的降水减少量，导致流域径流量减少了29%～32%。

2 气候变化对水环境的影响

基于气温、降水等气象要素的变化造成流域水循环过程的改变，气候变化通过影响地表水体物理、化学和生物特性等各个方面对流域水环境构成威胁。

2.1 物理特性的影响

气候变化对流域水环境物理特性的影响主要表现在水体温度的上升、河道形态的改变以及河川径流流速、流量的变化等几个方面。

水温的变化是水体对气候变化响应最为敏感的要素之一。温室气体排放引起的全球温度升高，对水环境造成的直接后果是水体温度的上升。Vliet等[5]基于对未来气候条件的预测，模拟全球尺度水体温度变化情况的结果表明，截止到2100年，包括美国、欧洲、中国东部、非洲南部以及澳洲南部等地区的大部分河流，水体温度将呈上升趋势。气温上升加上太阳辐射增强，使得欧洲、南美及亚洲地区19世纪60年代至今，地表水体温度平均上升0.2～2.0 ℃。欧盟环境局(EEA)的研究表明，欧洲主要河流的水温在过去的100 a里上升了1～3 ℃[6]。模型预测未来气候变化情境下，截止到2070年，欧洲部分湖泊水体温度将上升2 ℃左右，这一变化的直接影响是水密度减小、表面张力减弱。作为影响水体物理-化学平衡以及生物活性的主要因素，水环境中所有物理-化学“常数”都随水温的变化而改变，气温导致河流水体温度上升的同时势必会对水质产生影响。

气候变化大背景下，降水时空分布不均匀性的加剧，使得旱涝事件频繁发生，伴随着降水、径流大幅度的时空变异，由土壤侵蚀产生的土壤流失事件急剧增加。尤其是连续干旱后的暴雨事件，冲刷河道坡岸携带大量泥沙入河，造成河道淤积，改变河流物理形态。俞方圆[7]对1958-2008年东北地区气候变化对河川径流和泥沙的影响研究表明，该地区研究时段内降水量显著减少导致径流量呈下降趋势，输沙能力下降；加上极端事件造成的旱涝灾害频繁发生和水土流失加剧，使得区域河流形态发生大幅变化。除此之外，气温升高导致流域潜在蒸发量增加，预估未来气候条件下，降水量级的减少、土壤水亏损的加重以及流域潜在蒸发量的增加，将导致入河流量发生变化，部分河道水流速度降低、输沙能力下降。

2.2 化学特性的影响

目前，针对气候变化对水环境化学特性影响的研究主要集中在水体营养盐及溶解性有机质浓度变化、重金属污染程度以及持久性有机物(POPs)含量的变化等几个方面。

(1)营养盐及溶解有机质。水体中营养盐及溶解有机质含量的变化主要受气温的升高以及降水、径流的时空变异性影响。全球变暖导致水体温度分层周期扩大，温跃层加深，这一现象将导致下层沉积物向上传送磷通量增加，导致均温层P浓度升高，加上溶解氧含量的减少，缺氧环境下，磷酸盐从底层沉积物通过温跃层的垂直扩散引起变温层P浓度随之升高，导致水环境恶化。温度升高加速水体中化学反应和生物降解速率，同样影响水体中营养盐及溶解有机质的浓度。气温升高导致流域潜在蒸发量增大，入河水量减少，使得营养盐等的稀释率下降，导致受水水体N、P营养物及溶解有机质含量发生变化。Rankinen等[8]利用2个线性回归模型分析了气候变化对波罗的海流域水体N、P含量的影响，结果显示，由于温度的升高加上流域春夏季径流减少、冬季径流量增加，使得水体N浓度增加，P浓度下降。另外，Sardans等[9]研究指出气温上升造成的土壤温度升高会导致土壤中N元素矿化作用的增强；同时，土壤温度的上升使得土壤中部分酶活性增强，使得土壤中N元素可用性增强，增加水环境的N摄入源。

气候变化大背景下降水、径流时空变异性引起的旱涝灾害事件，造成严重的土壤侵蚀及土壤冲刷入河，则进一步加重了水体营养盐及溶解有机质含量的变化。降水模式的改变，使得水体营养盐及溶解有机质含量呈季节性变化；极端降水事件发生概率的增大同样对水体营养盐及溶解有机质含量产生较大影响。Bates等[10]的调查显示，位于温带地区的国家近年来气候变化导致全年降水日数降低，而平均每次降水事件总降水量增加。这一现象的直接后果是极端性旱涝事件频发，导致分解有机质，冲刷入水体作用增强。Puustinen等[11]研究表明，冬季径流量的增加，使得冲刷沉积物入河量升高，导致水体悬浮固体物和P浓度上升。Andersen等[12]发现，极端降水事件的频繁发生，导致流域径流量增加，伴随产生的是水体更高的N负荷。Borken等[13]研究表明，气候变化作用下流域干、湿循环加重，特别是夏季干旱使得N元素矿化作用及N元素通量发生变化。

(2)重金属。重金属元素，一般指标准状况下单质密度大于4 500 kg/m3的金属元素，是生物体的重要组成部分，以空气、土壤、化学药剂等为载体，随降水、径流等冲刷入水体，将会造成水环境严重的重金属污染。基于其持久性和生物放大作用，重金属污染对水生生态系统及水环境构成严重威胁。目前，水体中重金属主要以溶解态和颗粒态2种形式存在，随水体各种物理、化学和生物反应发生迁移转化，同时受吸附和释放2个过程剧烈程度的影响。气候变化通过改变重金属元素在自然相中的分布，加速其在各相间的运移，影响其在水体中的迁移转化过程和剧烈程度，对水体中重金属元素含量及分布情况产生影响。重金属元素通常在表土层聚集，其向水体中的转化速率受淋溶作用影响。气温升高使得流域潜在蒸发量上升、地下水位下降、排泄水量减少，导致重金属元素淋溶作用减弱，水体重金属元素含量下降。Visser A等[14]在Keersop小流域进行的研究表明，未来气候变化条件下，该流域气候向暖干化发展，重金属淋溶作用减弱，水体中镉、锌2种重金属元素含量从过去的29 μg/L、2.3 mg/L减少到11 μg/L和1.5 mg/L，地表水质有所改善。降水时空变异和降水量变化引起的旱涝事件频发，冲刷表层土壤入水体，加速重金属元素向水体的转移；同时降水引起的河川径流量变化使得吸附着重金属元素的悬浮固体物二次悬浮，进一步影响水体重金属含量。Vliet等[15]的研究表明，气候变化引起的旱涝事件，使得墨兹河水体中包括钡、硒和镍等重金属元素的含量显著增加。Schiedek等[16]通过定性分析气候变化对海洋生态系统中重金属元素浓度的影响，指出未来气候条件下，降水时空变异引起的洪水风险增加，使得水体中泥沙等悬浮固体物二次悬浮，导致水体重金属含量呈指数增加。

(3)持久性有机污染物(POPs)。气候变化大背景下环境温度、降水模式、积雪融化及海水盐度等诸多方面的变化，均导致POPs在环境介质中分布的改变。通过改变大气、水体、土壤等环境基质的物理、化学及生物条件，气候变化对POPs的环境行为和其在不同环境相的扩散速率产生显著影响。温度升高导致大气中POPs含量显著增加。Field等[17]研究表明，温度的升高使得POPs在大气-土壤和大气-水源之间的分配速率增强，导致POPs向大气的二次排放增加。气温升高1 ℃，POPs向环境中的排放量可能增加10%～15%；气温升高10 ℃，排放量可能增加3倍。降水时空分布的不均匀性及降水强度的增大导致大气中POPs沉降速率发生变化，继而引起土壤中POPs含量的增加。极端事件导致的旱涝灾害频繁发生再加上部分地区降水变化引起的河川径流量增大，导致土壤侵蚀携带大量污染物入水体，加快了土壤与水体间POPs的交换速率，造成水体POPs含量升高。Milner[18]的研究显示，河川径流的增大，使得土壤侵蚀加快，POPs在土壤中的迁移及向河流中的转移速率上升，导致河流POPs含量增大。另外，气温升高导致冰川融化增强了POPs在大气与海洋间的交换能力，加上海水盐度影响下海洋POPs溶解度的改变，将对海洋中POPs含量产生较大影响。

综上，温度升高引起水体自身化学反应强度的变化，加上水体自身矿化作用及底层沉积物排放化学物质的改变，是导致水环境化学特性改变的内在动力；气温引起的流域潜在蒸发量增大，加上土壤温度升高造成土壤可提取C、N、P等物质数量的变化，改变了水体化学物质的来源量；降水时空变异导致旱涝事件频发，尤其是连续干旱后的强降水事件造成大量泥沙冲刷入水体，则是连接土壤及水体，运输化学物质的途径和动力。几者结合，共同作用，最终导致水环境化学特性改变。

2.3 生物特性的影响

目前，受气候变化影响最严重的是浮游植物和浮游动物。

(1)浮游植物。温度升高、降水时空变异造成的旱涝交替对土壤的冲刷作用使得受水水体营养物含量尤其是以N、P为主的营养盐含量的增加，是造成浮游植物尤其是藻类生长状况变化的主要原因。温度的升高可能会造成水体藻类植物的生长速率加快。一方面，浮游植物自身生长有其适宜的温度阀值，温度升高将直接影响浮游植物自身的生长平衡条件，对浮游植物的生长状况产生影响；另一方面，温度升高导致水体温度分层周期增长，温跃层加深，由此诱发的营养物质垂直运动，使得变温层P含量升高，促使水体透光层浮游植物的快速增长，导致原来大型植物占主导的水体向浮游植物占主导转变，致使水体污浊。降水强度及时空分布的变化主要通过影响水体营养物的输入量而对浮游植物生长状况产生影响。Willey[19]在北卡罗来纳海域进行的研究表明，降水变化导致海水营养盐浓度升高、盐度下降，其直接后果是海域浮游植物生长限制减小，浮游植物数量升高。部分地区夏季降水减少，导致入河径流量减小，河道流速降低，滞留时间增长，使得悬浮固体物及输沙量减少，营养物富集，这就是一些水库、湖泊等较易产生水体富营养化的原因。除上述影响外，光辐射和光照时间的变化通过影响浮游植物光合作用的光化学过程和酶催化过程也将对浮游植物的生长状况产生影响。

(2)浮游动物。浮游动物生命周期短、分布广泛，并且随水体流动而移动，其对气候变化的响应更为敏感，受气候变化影响程度更加严重。以温度升高为主要特征的全球性气候变化对浮游动物生理过程、丰度、生物量、多样性和群落结构以及浮游动物栖息地等都会产生不同程度的影响。一方面，温度升高使得浮游动物生物蛋白质的组成及膜流动性遭到破坏，同时对不同物种不同生长周期浮游动物的呼吸作用、代谢速率、生长速率及发育速度产生影响，最终导致浮游动物生长状况的改变。Rebstock[20]在加利福尼亚州进行的研究表明，海洋温度的上升导致个别浮游动物生长迅速，性成熟期时间缩短，使得浮游动物较正常温度生长状况体积变小；另一方面，温度升高造成耐热性浮游动物大量繁殖，温度容差较小的浮游动物，特别是冷水性浮游动物大量减少，导致浮游动物丰度及生物多样性遭到破坏。Purcell[21]对海洋中15种水母生长状况的研究表明，温度升高使得其中11种水母的丰度增加，这11种水母大多属于温带物种。Beaugrand等[22]在大西洋东北部进行的关于气候变化对桡足类浮游动物的影响研究表明，温度升高是造成该物种多样性破坏的主要原因。降水强度及极端降水事件引起的入河流量变化造成的土壤侵蚀、水体流速变化等也将对浮游动物的生长状况产生影响。Pednekar等[23]研究证明，径流量增加，导致城市区排水能力不足，引起的混合下水道污水入河是浮游动物成分变化的一个重要原因。Delpla等[24]对魁北克流域不同空间尺度气候变化对大肠杆菌含量的模拟预测结果显示，降水时空变异使得该流域水体中大肠杆菌含量呈增加趋势。

3 人类活动对水环境的影响

人类活动影响下土地利用和植被覆盖的变化、点源及非点源污染的大量排放以及水利工程的建设导致流域下垫面情况改变、流域水循环过程发生变化、水体污染物来源及数量改变，最终影响流域水环境状况。

3.1 土地利用/植被覆盖变化(LUCC)对水环境的影响

LUCC作为水环境众多影响因素中的一个，土壤与岩石理化性质的不同，导致自然界物质溶解、合成及沉降等物理化学及生物过程的差异，继而造成水体物质含量的变化；地层的性质与地质特征的不同影响地下水与地表水的交换，影响水体中溶质的交换转移。LUCC影响流域下渗速率、蒸发量及潜在蒸发量的大小、地下水补给量的多少以及受水水体的水质情况。另外，LUCC改变流域的下垫面特征，对水循环及物质输移过程产生巨大影响，LUCC影响水分及营养物质的再分配规律，改变其运行过程，最终影响N、P等元素的迁移转化。Lin等[25]在美国红河流域的研究发现，该流域土地利用类型的变化导致下游径流量发生大幅度改变，流域内泥沙及营养物负荷呈上升趋势，其中泥沙含量上升2.6%、硝酸盐含量上升5.9%、TP上升14.1%、TN上升9.1%。

目前，全球尺度的LUCC主要表现在城市化的迅速蔓延、农田建设用地面积及空间分布的改变以及荒漠化的加重。Seto等[26]通过模型预测的结果显示，2000-2030年的30 a里，全球城市土地利用面积将增长3倍左右。刘纪远等[27]对中国1980-2010年土地利用变化数据进行的定期更新分析表明，中国土地利用变化呈明显时空差异。耕地变化南增北减，新增耕地的重心由东北向西北转移；城乡建设扩展提速，东部为重心，向中西部蔓延；林草地前增后减，荒漠化加重。城市化程度的加重导致的直接后果是流域下垫面情况的转变，流域水循环特征发生变化，继而对水环境各方面产生影响。夏星辉等[28]研究表明，城市地区，极端降水事件尤其是短时间高强度降水频发，导致排水系统输水能力不足，污染物随未处理的下水道污水进入水体，造成水环境恶化，水生生态系统破坏。张殷俊[29]等通过模型模拟发现，城镇用地的大肆扩张虽然对不同水质指标会产生不同的影响，但对水环境质量的综合影响使得区域水环境退化。农田建设用地包括耕地、牧草地以及种植园等的大肆扩张，随之产生的是林木、草地等种植面积的骤减，使得流域下垫面情况发生变化，最终导致流域水环境的变化。Nielsen等[30]研究证明，区域农田用地的面积与毗邻湖泊水体TN和TP含量存在较强的相关关系。林草地退化形成区域荒漠化，导致的直接后果是水土流失加重，大量泥沙随径流入河造成水体泥沙沉积，营养物质含量超标。王根绪[31]等研究表明，黄河源区20世纪70～90年代林草地退化明显，荒漠化发展迅速，导致流域内水土流失严重，水环境加速退化。

3.2 点源及非点源污染物排放对水环境的影响

人类活动包括城市排污、工业废水和农业污水等造成的点源及非点源污染是水环境恶化的主要和直接影响因素。通过影响水体的物质组成，改变水体中污染物质含量，点源及非点源污染将直接影响水环境生物化学特性，导致水环境恶化。

工业废水、城市及生活污水的点状排放是造成点源污染，导致水环境恶化的主要来源。工业废水包含大量重金属及有毒物质，排放入水体导致水环境重金属含量超标，水质恶化。李玉等[32]对胶州湾水环境状况进行的分析与评价结果表明，大量未处理工业废水直接排放入海导致的点源污染，使得水体包括悬浮颗粒物、柱状沉积物及底栖生物中重金属富集。城市及生活污水携带大量人体及动物排泄物入河，造成水体中病原体及溶解有机质含量上升。

非点源污染鉴于其随机性大、潜伏性强、来源复杂以及影响广泛等特点，已成为水环境的首要污染源。美国的水体污染物60%来源于非点源污染。目前，农业非点源污染是造成水环境恶化的主要影响因素。农业用地范围内，作物种植、牲畜养殖、牧草及牧场等农业活动使得化肥和饲料等过度使用，加上农业灌溉携带大量营养物质入河，导致水体营养物含量骤升，水环境退化。农田用地过度的化肥使用影响生物、非生物的固化和矿化作用，导致水体N、P等物质含量增加，对水环境造成的最明显的后果是水体污染、生物多样性缺失和水生生态系统的富营养化。Green等[33]在爱德华州所做的实验表明，由于玉米种植区大量肥料输入造成的N元素长期运输，该地区水体硝酸盐及亚硝酸盐含量发生大幅度变化。非点源污染夹带大量泥沙、营养物、有毒有害物质进入江河、湖库，引起水体悬浮固体物浓度升高、有毒有害物质含量增加、溶解氧含量减少、水体酸化、加重水体富营养化程度，最终破坏水生生态系统。就中国而言，调查显示，湖泊、水塘及部分河流中发生富营养化的主要原因是农业非点源污染。5大淡水湖之一的巢湖，由于沿湖四周均是农田，近年来因肥料结构和施肥不当造成化肥大量流失，构成非点源污染，成为巢湖水环境TN、TP超标的重要原因。吕耀[34]关于苏南太湖流域农业非点源污染的研究表明，该地区农业集约化导致的N、P、K肥过量使用，造成太湖水体富营养化程度加重，水生生态系统遭受破坏。

3.3 水利工程建设对水环境的影响

水利工程建设作为人类改造自然的一项实践活动，通过改变天然河流的流动状态，对系统进行物质和能量的输入及重新分配，势必打破系统原有的水量、能量及生态平衡。这种旧平衡的破坏和新平衡的产生将引发水环境物理、化学及生物特性的改变。目前，水利工程建设对水环境的影响主要表现在泥沙输移的变化、水体富营养化、水环境容量变化以及水生生物生存及生长状况等几个方面。

首先，水利工程建设，拦河蓄水，从根本上改变了河流的水动力条件，运行期库区水位抬高，水流速度减缓，挟沙能力减弱，泥沙不断淤积抬高上游河床，加上下泄水流含沙量减少，引起下游河道冲刷，改变河流物理形态。Kondolf等[35]研究证明，大坝的存在，打断了河流泥沙传输的连续性，造成过库水体处于泥沙不饱和状态，对下游河道造成严重冲刷。张曙光等[36]对小浪底水库的水环境影响进行的评估分析显示，工程运行后，很大程度上改变了黄河孟花段的水沙形式。

其次，水库蓄水造成库区内水深和集水面积大幅度增加，水流变缓，库内水体滞留时间增加，为水体富营养化的形成提供了有利条件；库区集水面积增加，淹没部分农田，加上水库建设带动区域工、农业发展，提升工、农业及生活废水入库量，加速水体富营养化的形成。孟红明等[37]对中国135座水库的富营养化情况进行的调查结果表明，调查范围内的水库中有近43%处于富营养化状态。

再次，库区水流缓慢趋于静态，导致上游来水携带固体颗粒物下沉；水介质条件改变使得溶解态物质从水中析出，使得库区污染物质含量上升；加上流域梯级开发导致的污染物负荷加重，同时库区水体稀释污染物自净能力下降，最终导致水环境容量减小。窦贻俭等[38]关于曹娥江流域水利工程对生态环境的影响评估结果显示，全流域COD水环境容量，建库前为122.46 t/d，建库后减为114 t/d，各功能区全年单点COD水环境容量减少3%～12%。

最后，水利工程建设，库区蓄水，导致陆、水两域相互转化，造成河流生境剧烈变动，势必会对水生生物系统产生影响。河流梯级开发尤其是大坝等的建立，截断了天然河流的流通状态，水生生物的适生环境被破坏，水生生物失去产卵繁殖的适宜环境，面临生存危机。陈龙[39]等对白洋淀地区近50 a来水利工程建设对鱼类的影响研究表明，水利工程的直接阻隔作用使得盛产鱼类的白洋淀地区鱼类数量和种类迅速下降。

综上，无论是气候变化还是人类活动都将对水环境构成严重威胁。气候变化通过温度、降水等的变化及对径流等水文过程的影响，改变水体中污染物的来源、迁移转化方式、生化反应速率和生态效应过程而直接或间接的对水环境特征产生影响；人类活动通过土地利用方式的转变、污染物的大量排放以及水利工程的广泛实施，影响流域的下垫面特征、改变水环境污染物来源的分布及数量、改变自然河流的天然流动状态继而影响流域水环境状况，见图1。基于气候变化及其对水文过程的潜在威胁，污染物的迁移转化方式及强度将随之变化，结合包括林木占地向农业及城市用地的转变以及农业集约化经营等土地利用状况的持续变化，再加上河流梯级开发，水利工程大量建设，几种因素叠加，势必对流域水环境产生前所未有的影响。

4 研究方法及不确定性探讨

气候变化和人类活动引发的水资源量时空分布及水质问题已成为各国政府及相关学者关注的热点。近年来，随着水环境问题的加重，相关方面的研究得到广泛开展，各种研究方法层出不穷。

4.1 研究方法

综合国内外已有的研究成果，目前关于气候变化和人类活动对水环境影响方面的研究主要包括2大类方法：一种是传统的统计分析方法；另一种则是基于具有物理机制的模型模拟预测方法。

(1)传统统计分析方法。传统的统计分析方法是通过分析气候变化主要代表因子与水环境代表性指标之间的相关关系阐述气候变化对水环境的影响，通过对历史资料趋势性的研究，分析未来气候条件下水环境的变化情况。由于方法简单、容易实施和结果清晰等特点，在分析气候变化和人类活动对水环境的影响研究中得到广泛使用。赵慧颖等[40]以呼伦湖湿地作为研究对象，采用相关分析方法计算了气候要素与水环境要素的相关性大小，得出区域气候暖干化严重影响水环境的结论。周洪华[41]等采用M-K检验分析了博斯腾湖气候要素与水环境要素的变化趋势及突变性，结合相关分析，论述了该区域水环境的变化过程，并预测了其未来变化趋势。Veríssimo等[42]通过趋势分析、主成分分析评估了河口典型区气候变化和人类活动影响下水质及底栖生物的变化情况。统计分析方法虽然可以通过计算气候变化和人类活动与水环境要素的相关性评估其对水环境的影响，但该方法没有明确的物理过程、需要大量实测的历史数据作为支撑，受资料精度的影响；同时，这种方法只能粗略给出水环境的未来变化趋势，并且主观性较强，不能定量化气候变化和人类活动对水环境的影响大小，具有较大的局限性。

(2)模型模拟预测方法。在分析水环境物理、化学及生物过程变化的基础上，模型模拟预测是一种基于物质、能量及动量守恒原则，通过各种数学计算公式建立计算模型，利用代表参数反应各个过程的剧烈程度，计算模拟水环境指标的时空变化特征，进而评估气候变化和人类活动对水环境的影响，预测未来水环境变化情况的综合性方法。基于地理信息系统的SWAT模型，由于其自身独特的优势，在国内外评价气候变化和人类活动对水环境影响的研究中应用最为广泛。翟晓燕等[43]以沙澧河流域为研究对象，利用SWAT模型，通过假定气温及降水的改变量分析了35种不同情境下水环境的变化情况。李庆航等[44]采用SWAT模型，以苏南丘陵区为例分析了人类活动影响下土地利用方式的改变对该区域水质、水量的影响。Wilson等[45]利用SWAT模型模拟评估了德斯普兰斯河流域气候变化及城市土地利用变化对水体悬浮固体物和总P浓度的影响。SWAT模型用于模拟气候变化和人类活动对水环境的影响虽然得到了大量实践证明，但并不完善。Luo等[46]认为传统的SWAT模型在考虑CO2浓度对植物生长及其伴随的蒸发量影响评估以及考虑气温与水温关系方面表现出了很大的不足，通过更新模型中植物气孔导度及叶面积指数对CO2浓度响应的数学模拟方法，并在模型中耦合水温预测的水文化学模型，可以有效改进SWAT模型。WU等[47]通过分析研究证明了改进SWAT模型的优越性。除SWAT模型外，其他如集成化水文模型与水质模型用于评估气候变化和人类活动对水环境影响的研究也占较大部分。IPCC气候变化评估会议的召开，以其预测的几种未来温室气体排放模式为输入，采用GCM模型模拟预测未来的气候变化情况，进而量化评估未来气候变化模式下水环境的变化情况则成为近期相关方面的研究热点[47，48]。

图1 气候变化和人类活动对水环境的影响Fig.1 Impacts of climate change and human activities on water environment

4.2 不确定性分析

模型模拟方法由于其自身的优越性，在评估气候变化和人类活动对水环境影响的研究中逐步取代了统计分析方法。但面对目前模型结构的不完善，采用模型模拟方法评估气候变化和人类活动对水环境的影响依然存在较大的不确定性。主要表现在：①IPCC预测未来排放情景本身具有一定的主观不确定性，将其带入全球气候模式(GCMs)模拟未来气候变化情况，采用不同的GCMs模型，模拟结果将会发生较大偏差。Wilby等[48]采用3种GCMs模型对2种未来排放模式下流域气候变化的研究结果表明，不同的GCMs模型在相同排放情境下模拟结果存在较大偏差；②不同的降尺度方法包括统计降尺度、动力降尺度等将GCMs模型模拟获得的大尺度数据转化为流域尺度数据时存在较大差异；③水文化学模型和生态模拟模型参数及结构上的不确定性；④未来经济发展情况的不确定性，加上土地利用变化预测模型的不完善，使得基于土地利用现状预估未来土地利用情况比较困难。就模型模拟方法不确定性方面，Murphy等[49]以及Wilby等[50]先后提出，给评估气候变化和人类活动对水环境影响的各个环节加上权重，可能会合并并减小上述不确定性，然而这种方法需要情境模拟模式向概率模拟模式的转变，至今依然没有得到推广应用。

综上，不论是传统的经验统计方法还是模型模拟，都有其各自的特点及局限性。经验统计方法分析气候变化和人类活动对水水环境的影响，简单将气候因子与水质要素作为2组随机变量，通过分析随机变量相关性阐述水质要素对气候变化的敏感性，可用于大尺度多变量的研究分析中。但这种方法没有详细的物理机制作为支撑，并且需要有实测的大量数据，而且只能做趋势分析不能量化各要素的变化。模型模拟方法可以定量化气候变化和人类活动对水环境的影响，物理过程明确，有助于我们更好地了解水环境要素对气候变化的响应机制，但其量化水环境变化并不精确，受模型、资料以及其他因素不确定性影响较大；同时，模型模拟方法局限于流域尺度和个别水质要素对气候变化的响应上。大尺度的基础研究中，传统的经验统计方法在分析气候变化和人类活动与水环境相关关系方面表现的更好。

5 研究的不足

综合分析目前关于气候变化和人类活动对水环境影响的研究现状，大多数聚焦于气候变化或者人类活动对水量、水质的单独影响，且对水量的影响研究居多。部分学者虽然考虑了未来土地利用的变化，却没有结合水文、水质模型分析土地利用变化对水环境的影响。将气候变化和人类活动集成化，研究其对流域水环境协同影响方面的研究并不多见。实际上，人类活动对水环境的影响作用发生在气候变化的大背景下，人类活动又反作用于气候变化，2者相互依存，共同对水环境构成威胁。在分析水环境的未来变化情况时，只分析气候变化对水环境的影响而忽视人类活动的协同作用，或者仅仅考虑人类活动的影响，而没有结合未来气候变化情况，都将会对预测结果产生影响。Serpa等[51]在地中海2个不同气候区关于气候变化及土地利用对河川径流及输沙量的影响研究表明，考虑气候变化和土地利用的协同作用与单独考虑气候变化的影响，输沙量的变化表现出了相反的趋势。Molina等[52]对地中海某水库气候变化和土地利用对水文过程及水质的影响研究发现，考虑2者的协同作用较将2者影响简单叠加对研究区水文过程及水质的影响更为显著，进一步证明了考虑协同作用的重要性。随着气候变化和人类活动对水环境协同作用的重要性不断被提及，少数学者虽然开始考虑其综合作用，但大部分局限对水质、水量某一要素的影响，在研究分析气候变化和人类活动综合影响下水质、水量协同变化方面依然比较欠缺。

6 结论及展望

在前人研究的基础上，本文就气候变化和人类活动对流域水资源及水环境的影响机理进行剖析，探讨了气候变化和人类活动如何通过直接或间接的影响水体中污染物质来源、迁移转化方式、生化反应速率以及物质和能量的转换过程等对流域水环境构成威胁，并针对目前关于气候变化和人类活动对水环境影响相关的研究方法及其不确定性展开系统论述，结论如下：全球性气候变化主要表现在气温的升高、降水的时空变异、极值事件的频繁发生以及其他水文要素大小及时空分布的变化上，上述变化直接导致流域水资源量发生改变，同时使得水体温度上升、土壤侵蚀加重、水生生物生存环境等遭到破坏，进而影响流域水环境现状；基于土地利用和植被覆盖的变化、点源及非点源污染的大量排放以及水利工程的建设，人类活动主要通过影响流域下垫面特征，改变水环境物质和能量的转换过程，扰乱天然河体的流动状态，对流域水环境构成威胁；针对气候变化和人类活动对水环境的影响研究，目前主要包括传统统计方法和模型模拟预测2大类，2者均有其各自的优点和局限性。文章深度探讨了水环境对气候变化和人类活动的响应机制，为决策者制定流域水环境保护政策提供一定的理论支撑，具有切实的理论及实践意义。

总结已有的研究成果，目前关于气候变化和人类活动对水环境影响方面的研究正处于一个模型模拟定量化影响大小的阶段。针对当前研究中表现出的影响机理不明确、模型结构不完善、研究方向较片面以及协同影响考虑不充分等问题，未来一段时间内以下几个方面将可能成为研究重点：①深入探讨、实验分析气候变化和人类活动对水环境的影响机理；②改进模型结构和模拟方法，减少模型不确定性；③探寻综合性指标反应水环境整体变化；④探寻定量化分析气候变化和人类活动对水环境的独立影响权重。

整体而言，未来气候变化和人类活动对水环境影响的研究有可能从过去单纯考虑流域尺度气候变化和人类活动对关键水环境要素的独立影响，目前定量化分离气候变化与人类活动对流域水环境要素的影响权重，逐步过渡到定量化分析全球大尺度气候变化与人类活动交互作用对水环境的综合影响。

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